电子工程师必看：PCA9543A/43B 2 通道 I²C 总线开关深度解析

在电子工程师的日常设计中，I²C 总线开关是一个常见且重要的组件，它能够帮助我们更高效地管理和分配 I²C 总线资源。今天，我们就来深入探讨一下 NXP 半导体推出的 PCA9543A/43B 2 通道 I²C 总线开关，看看它有哪些独特的特性和应用场景。

文件下载：PCA9543AD,118.pdf

一、产品概述

PCA9543A/43B 是一款由 I²C 总线控制的双向转换开关。它将上游的 SCL/SDA 线扩展到两个下游通道（SCx/SDx），通过可编程控制寄存器，我们可以灵活选择任意单个通道或多个通道的组合。此外，该开关还配备了两个中断输入（INT0 和 INT1）和一个中断输出（INT），以及一个低电平有效的复位输入（RESET），方便我们处理各种异常情况。

二、产品特性与优势

2.1 功能特性

• 双向转换开关：实现 1 选 2 的双向信号转换，支持多种电压等级（1.8V、2.5V、3.3V 和 5V）之间的电平转换，无需额外的保护电路。
• I²C 总线接口：兼容 SMBus 标准，方便与其他 I²C 设备进行通信。
• 中断功能：提供两个低电平有效的中断输入和一个低电平有效的中断输出，便于实时监测下游通道的状态。
• 复位功能：低电平有效的复位输入可使开关从下游 I²C 总线的低电平锁定状态中恢复，同时内部上电复位功能也能确保所有通道在启动时处于未选中状态。
• 地址选择：两个地址引脚（A0 和 A1）允许在 I²C 总线上连接多达 4 个设备，而 A 和 B 两种地址版本则可使总线上的设备数量最多达到 12 个，有效解决了地址冲突问题。

2.2 性能优势

• 低导通电阻：确保信号传输的低损耗，提高信号质量。
• 无上电毛刺：避免上电时产生的干扰信号对系统造成影响。
• 支持热插拔：方便在系统运行过程中进行设备的插拔操作。
• 低待机电流：降低系统功耗，延长设备的使用寿命。
• 宽工作电压范围：2.3V 至 5.5V 的工作电压范围，适应不同的电源环境。
• 高 ESD 保护：超过 2000V HBM 和 1000V CDM 的静电放电保护，增强了设备的可靠性。
• 多种封装可选：提供 SO14 和 TSSOP14 两种封装形式，满足不同的 PCB 设计需求。

三、订购信息

PCA9543A 和 PCA9543B 提供了多种订购选项，包括不同的封装形式（SO14 和 TSSOP14）、包装方法（管装和卷带装）以及不同的温度范围（-40°C 至 +85°C）。具体的订购信息可以参考文档中的表格，工程师们可以根据自己的实际需求进行选择。

四、功能详解

4.1 设备地址

PCA9543A 和 PCA9543B 的设备地址由固定部分和硬件可选择部分组成，地址的最后一位定义了读写操作。PCA9543B 是为了满足大型系统或解决地址冲突而设计的备用地址版本，除了设备地址不同外，其功能与 PCA9543A 完全相同。在实际应用中，我们需要根据硬件连接将地址引脚（A0 和 A1）拉高或拉低，以确定设备的具体地址。

4.2 控制寄存器

控制寄存器用于选择下游通道，写入该寄存器后，相应的通道将在 I²C 总线上出现停止条件后被激活。控制寄存器的最低两位（B0 和 B1）用于选择通道，可同时选择多个通道，但需要注意不要超过总线的最大电容。此外，控制寄存器还可以读取芯片的状态，包括中断输入的状态。

4.3 中断处理

PCA9543A/43B 提供了两个中断输入和一个开漏输出的中断信号。当任何设备产生中断时，开关会检测到该中断并将中断输出信号拉低，同时在控制寄存器中设置相应的位。主设备可以通过读取控制寄存器来确定哪个通道的设备产生了中断，并进行相应的处理。如果不需要中断功能，中断输入可以作为通用输入使用，未使用的中断输入必须通过上拉电阻连接到 VDD。

4.4 复位输入

复位输入（RESET）是一个低电平有效的信号，用于从总线故障状态中恢复。将该信号拉低至少 tw(rst)L 时间，开关将复位其寄存器和 I²C 总线状态机，并取消选择所有通道。复位输入必须通过上拉电阻连接到 VDD。

4.5 上电复位

在上电时，内部上电复位（POR）会将开关保持在复位状态，直到 VDD 达到 VPOR。此时，复位状态解除，开关的寄存器和 I²C 总线状态机将初始化为默认状态，所有通道均未选中。后续需要将 VDD 降至 0.2V 以下至少 5μs 才能再次复位设备。

4.6 电压转换

PCA9543A/43B 的传输门晶体管结构允许我们通过 VDD 电压来限制从一个 I²C 总线传输到另一个总线的最大电压。为了实现有效的电压转换，Vo(sw) 电压应等于或低于最低的总线电压。通过调整 VDD 电压和使用上拉电阻，我们可以将总线电压调整到合适的水平。

五、I²C 总线特性

I²C 总线是一种用于不同 IC 或模块之间双向两线通信的总线，包括串行数据线（SDA）和串行时钟线（SCL）。在进行数据传输时，需要注意以下几点：

• 位传输：每个时钟脉冲传输一位数据，SDA 线上的数据在时钟脉冲的高电平期间必须保持稳定。
• 启动和停止条件：数据和时钟线在总线空闲时均保持高电平，SDA 线在时钟为高电平时的高到低转换定义为启动条件，低到高转换定义为停止条件。
• 系统配置：发起消息的设备为“发送器”，接收消息的设备为“接收器”，控制消息的设备为“主设备”，受主设备控制的设备为“从设备”。
• 应答机制：每个字节传输后都需要一个应答位，应答设备在应答时钟脉冲期间将 SDA 线拉低。主设备在最后一个字节不产生应答表示数据传输结束。

六、应用设计要点

6.1 中断输入

如果产生中断的设备具有开漏输出结构或可以进行三态操作，需要使用上拉电阻；如果设备具有图腾柱输出结构且不能进行三态操作，则不需要上拉电阻。同时，中断输入不能悬空。

6.2 电压选择

在进行电压转换时，需要根据实际的总线电压选择合适的 VDD 电压，并使用上拉电阻将总线电压调整到所需的水平。

6.3 焊接注意事项

PCA9543A/43B 提供了 SO14 和 TSSOP14 两种 SMD 封装，在焊接时需要根据具体情况选择合适的焊接方法。波峰焊适用于通孔元件和部分 SMD 元件，但对于细间距 SMD 元件不太适用；回流焊则更适合小间距和高密度的元件。在焊接过程中，需要注意板的规格、封装的尺寸和引脚间距、元件的湿度敏感度等级等因素。

七、总结

PCA9543A/43B 2 通道 I²C 总线开关是一款功能强大、性能优越的 I²C 总线扩展设备，它提供了灵活的通道选择、中断处理和复位功能，支持多种电压等级的电平转换，适用于各种 I²C 总线系统。在设计过程中，我们需要根据具体的应用需求合理选择设备的地址、通道配置和电压参数，并遵循焊接和使用的注意事项，以确保系统的稳定性和可靠性。你在使用 I²C 总线开关时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。